電阻應變計(應變片)原理

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1、第2章電阻應變計的原理及使用2.1電阻應變計的工作原理電阻應變計習慣稱為電阻應變片，簡稱應變計或應變片。出現(xiàn)于第二次世界大戰(zhàn)結束的前后，已經(jīng)有六十多年的歷史。電阻應變計的應用范圍十分廣泛，適用的結構包括航空、航天器、原子能反應堆、橋梁、道路、大壩以及各種機械設備、建筑物等；適用的材料包括鋼鐵、鋁、木材、塑料、玻璃、土石、復合材料等各種金屬及非金屬材料。并且，它不僅適用于室內實驗、模型實驗，還可以在現(xiàn)場對實際結構或部件進行測量，這些特點是任何一種傳感元件或傳感器所不能比擬的。另外，它在對結構和設備的安全監(jiān)測方面也有廣泛的應用前景。電阻應變計是一種用途廣泛的高精度力學量傳感元件，其基本任務

2、就是把構件表面的變形量轉變?yōu)殡娦盘?，輸入相關的儀器儀表進行分析。在自然界中，除超導外的所有物體都有電阻，不同的物體導電能力不同。物體電阻的大小與物體的材料性能和幾何形狀有關，電阻應變計正是利用了導體電阻的這一特點。電阻應變計的最主要組成部分是敏感柵。敏感柵可以看成為一根電阻絲，其材料性能和幾何形狀的改變會引起柵絲的阻值變化。設一根金屬電阻絲，其材料的電阻率為ρ，原始長度為L。不失一般性，假設其橫截面是直徑為D的圓形，面積為A，初始時該電阻絲的電阻值為R：LR=ρ（2-1）A在外力作用下，電阻絲會產生變形。假設電阻絲沿軸向伸長，其橫向尺寸會相應縮小，2πD橫截面的半徑減少導致橫截面面積發(fā)

3、生變化。導線的橫截面原面積為A=，其相對變4化為dAdDdL=2=?2μ（2-2）ADL其中μ為金屬絲材料的泊松比。dL/L為金屬導線長度的相對變化，用應變表示，即：dLε=(2-3)L在電阻絲伸長的過程中所產生的電阻值的變化成為：dRdρdLdAdρ=+?=+(1+2μ)ε（2-4）RρLAρ在式中，前一項是由金屬絲變形后電阻率發(fā)生變化所引起的；后一項是由金屬絲變形后幾何尺寸發(fā)生變化所引起的。在常溫下，許多金屬材料在一定的應變范圍內，電阻絲的相對電阻變化與絲的軸向長度的相對變化成正比。即：dR=Kε（2-5）sR1dρ其中：K=+(1+2μ)（2-6）sερ5式中，Ks為單根金屬絲的

4、靈敏系數(shù)。表示金屬絲的電阻變化率與它的軸向應變成線性關系。根據(jù)這一規(guī)律，采用能夠較好地在變形過程中產生電阻變化的材料，制造將應變信號轉換為電信號的電阻應變計。2.2電阻應變計的結構電阻應變計主要由敏感柵、基底、覆蓋層及引出線所組成，敏感柵用粘合劑粘在基底和覆蓋層之間。一種絲繞式應變計的典型結構如圖2-1所示。2.2.1敏感柵敏感柵是用合金絲或合金箔制成的柵。它能將被測構件表面的應變轉換為電阻相對變化。由于它非常靈敏，故稱為敏感柵。它由縱柵與橫柵兩部分組成，縱柵的中心線稱為應變計的軸線。敏感柵的尺寸用柵長L（橫柵為圓弧形時，指兩端圓弧內側之間的距離；橫柵為直線形時，則為兩端橫柵內側之間的

5、距離）和柵寬B（在與縱軸垂直的方向上，敏感柵外側之間的距離）表示，參見圖2-2。柵長尺寸一般為0.2~100毫米。圖2-1電阻應變計的結構圖2-2敏感柵的尺寸敏感柵是電阻應變計的核心組成部分，它的特性對于電阻應變計的性能有決定性的影響。為了改善電阻應變計的性能，人們探索了多種材料的應變－電阻特性，從而發(fā)展了敏感柵材料，包括金屬、半導體和金屬氧化物等。目前常用的金屬敏感柵材料主要有銅鎳合金、鎳鉻合金、鎳鉬合金、鐵基合金、鉑基合金、鈀基合金等。以金屬材料為敏感柵的電阻應變計的靈敏系數(shù)大都在2.0～4.0間。硅、鍺等半導體材料由于具有壓阻效應，所有也被人們用作敏感柵的材料，以半導體材料為敏感

6、柵的電阻應變計的靈敏系數(shù)大都在150左右，遠高于以金屬材料為敏感柵的電阻應變計。通常對制造應變計敏感柵的材料的要求主要是：1.靈敏系數(shù)KS高，而且在較大的應變范圍內保持為常數(shù)?？点~絲在彈性狀態(tài)和塑性狀態(tài)下，KS值基本上是常數(shù)。2.敏感柵材料的彈性極限要高于被測構件材料的彈性極限，以免在測試中因敏感柵先出現(xiàn)塑性變形而影響測試精度。3.電阻率ρ高，分散度小，隨時間變化小。4.電阻溫度系數(shù)小，在寬的溫度范圍內保持不變；分散度小，對溫度循環(huán)有完全的重復性；有足夠的穩(wěn)定性，以減小由溫度變化而引起的測量誤差。5.延伸率高，耐腐蝕性好，疲勞強度高。6.焊接性能好，易熔焊和電焊；對引線的熱電勢小。7.

7、加工性能好，以便制成細絲或箔片。應變計常用金屬材料的物理性能見表2-1。表中的電阻溫度系數(shù)為20?C以下、溫度升高一度時材料的電阻變化率。6表2-1應變計常用金屬材料的物理性能牌號或成分靈敏系數(shù)電阻率ρ電阻溫度系材料名稱2-6名稱元素%KS（?mm/m）數(shù)(10/oC)Cu55銅鎳合金康銅1.9~2.10.45~0.52+20Ni45Fe55.5Ni36鐵鎳鉻合金3.60.84300Cr8Mo0.5Ni802.1~2.31.0~1.1110~1